大型PVC-U供水管件的研制
众所周知，化学建材已发展成为三大建材的第四建 材，而塑料管材在建材中又占有很重要的地位。由于它们有许多优点，所以可代替传统的金属管材。供水管采用塑料管，对于保证水量、水压均优于传统管材。特别 是随着人们生活水平的不断提高，对供水水质有了更高的要求，使用塑料管就可保证水质不受影响，尤其是直接饮用水管道，其优点更为突出，所以塑料管已成为绿 色环保产品。另外，UPVC塑料管材管件具有以下特点：生产技术成熟；管材管件产品规格齐全配套；施工简单、造价较低；维护量少，管理方便，UPVC塑料 管道目前已成为我国市政给水管道的主要品种。国内生产的PVC-U管材的管径以达到800mm，但其相应的大型注塑管件的成型加工性问题和耐压性一直是大 型注塑PVC-U管件生产的难题。笔者研制的改性PVC-U材料具有良好的力学性能、加工工艺性和热稳定性，用其生产的大型PVC-U管件的性能达到相关 技术标准要求。
1、 实验部分
1．1基本原料
PVC SG-7 齐鲁石化
丙烯酸酯类共聚物ACR-401 苏州安利化工厂
硫醇有机锡热稳定剂：TN-181 美国莫顿公司
Ca—St 溧阳石新星化工厂
H—St 上海制皂厂
石蜡 市售
聚乙烯蜡 如皋腾达塑料助剂厂
氯化聚乙烯 江都市化工厂
TiO2 902 美国杜邦公司
1．2主要仪器设备
高速混合机200一台 SHR-200A 江苏白熊塑料机械厂
锥型双螺杆挤出造粒机组一套 SJZ-65 上海申威达机械有限公司
注射成型机：BOLE125/80A-Ⅰ，宁波双马机械厂
注射成型机：FT1250 浙江申达塑料机械有限公司
电子万能试验机：WDT-20D，长春第二试验机有限责任公司
简支梁冲击试验机：MZ-2054，江都市明珠实验机厂
烘箱：101-1A型电热鼓风干燥箱，通州市扈通制药机械设备厂
热变形、维卡软化温度测定仪：XRW-300系列，承德市金建检测仪器公司
1． 3改性PVC原料的制造和标准试样、管件的制备
1．3．1改性PVC原料的制造
计量各种加工助剂，先将PVC树脂投入高速捏合机进行高速混合至物料约60℃，依次加入热稳定剂、抗冲击改性剂、颜料等助剂，继续高速搅拌物料至90℃，加入各种润滑剂，再继续高速搅拌至120℃出料。出料进入冷却搅拌机进行搅拌降温至40℃以下即可出料。
将混合均匀的物料在锥型双螺杆挤出造粒机组造粒。造粒流程：物料进入双螺杆挤出机加热熔化，在旋转螺杆的推力下被挤出模头，经热切装置热切后被鼓风通过输送管道输送到出口处计量包装。造粒工艺参数见表1
表1 改性PVC造粒工艺参数
Tab.1 Palletizing processing parameter of PVC modified
| 项 目 | 数 据 | 项 目 | 数 据 |
| 机筒温度/℃Ⅰ区 Ⅱ区 Ⅲ区 Ⅳ区 | 85~100 145~150 165~170 175~180 | 机头温度/℃ 喂料螺杆转速/r•min-1 主机螺杆转速/r•min-1 机头压力/MPa | 170~175 21 15 10.6 |
1．3．2标准试样的制备：
将改性PVC粒料进行干燥处理除去水分，干燥温度约为80~90℃，时间为4~5小时。然后将干燥后的物料用注射机在加料段85~100℃、压缩段160~170℃、均化段180~185℃、喷嘴温度170℃、注塑压力6~7MPa工艺条件下注射改性PVC标准试样。
1．3．3 PVC管件的制备：
将干燥后的改性PVC粒料在FT1250注射成型机成型φ200二承一插三通PVC管件，成型工艺温度为：T1=158℃，T2=162℃，T3=164℃，T4=170℃，T5=170℃，喷嘴温度177℃；
注射压力：射胶1：2.6MPa，射胶2：4.3MPa，射胶3：4.6MPa，射胶4：4.8MPa；保压压力：5.5MPa；注射时间：80s，保压时间：45s，冷却时间：120s。
1．4标准试样力学性能试验
对改性PVC标准试样分别按GB/T1040-92测试试样的拉伸强度；按GB/T9341-2000测试试样的弯曲强度；按GB/T1043-93测试试样的冲击强度。
1．5 PVC管件物理性能、力学性能测定
对PVC管件按GB 8802-88测定其维卡软化点；按GB 8803进行烘箱试验；按GB 1033中4.1A法（浸渍法）测定密度；按GB 8001进行坠落试验；按GB /T10002.2-1996 中5.9进行液压试验。
2、 结果与讨论：
2．1原料选择
2．1．1 PVC树脂
PVC 树脂是生产改性PVC粒料的主体原料。根据国家技术标准（GB3401-82和GB3402-82）规定，悬浮聚合的PVC树脂按平均聚合度、粘度等参数 的大小分为SG-1～SG-8型。不同型号的PVC树脂用于不同PVC制品的生产。本研究项目采用PVC的SG-7树脂，因为SG-7型树脂粘度大小适合 于UPVC管件的成型加工。
2．1．2 润滑剂
润 滑剂是PVC成型加工中不可缺少的一种加工助剂。特别是在硬PVC制品的成型加工中的作用尤为重要。PVC加工中使用的润滑剂按其作用原理分内润滑剂和外 润滑剂。内润滑剂的作用是降低PVC熔体在加工流动过程熔体大分子链间的摩擦力和由此摩擦力产生过热而导致PVC热分解。外润滑剂的作用是降低PVC熔体 在加工过程中熔体与机筒之间的摩擦力。因此本研究项目采用硬脂酸钙、硬脂酸作为内润滑剂，石蜡和聚乙烯腊作外润滑剂。内外润滑剂的合理配合使用，能明显改 善UPVC的加工流动性和制品的外观。
2．1．3热稳定剂
稳 定剂也是PVC成型加工中不可缺少的一种加工助剂。由于PVC的起始热分解温度只有约115～120℃，在约140～150℃时分解速度明显加快，而 UPVC的成型加工温度为170～190℃。PVC热分解产生HCl会自动催化PVC的热分解。为了保证UPVC顺利成型加工，PVC配方体系中必须加入 热稳定剂。PVC热稳定具有吸收和中和PVC热分解时产生的HCl气体和置换PVC分子链上不稳定的烯丙基氯原子的功能。PVC分子链上不稳定的烯丙基氯 原子在高温下，C—Cl键之间容易发生均裂产生Cl•自由基，而导致进一步分解产生HCl。热稳定剂的加入，可防止或减缓PVC的热分解速度。PVC的热 稳定剂主要有有机锡、盐基性铅盐、金属皂三大类。本研究项目使用的热稳定剂是无毒硫醇有机锡热稳定剂，该热稳定剂具有置换烯丙基氯原子、捕捉HCl、与双 键加成抑制着色、抗氧化和光稳定等作用[1]，还具有热稳定性高、用量少、与金属皂有良好的稳定协同效应等优点。使制得的改性 PVC原料在注射大型UPVC管件时适应注射工艺要求（大型的管件的成型周期一般在4～8分钟，PVC熔体在注射机机筒内停留时间较长）。本研究采用硬脂 酸钙作为热稳定剂与硫醇有机锡配合使用，可弥补有机锡润滑作用差的缺陷。
2．1．4 PVC抗冲击改性剂的选择
本 研究项目采用PVC的抗冲击改性剂是ACR和氯化聚乙烯（CPE）。ACR是丙烯酸类共聚物。由于ACR抗冲击改性剂属于粒子分配型，其壳层的甲基丙烯酸 甲酯与PVC相容而使界面具有较强的粘接性，而其芯为球形弹性粒子，分散在PVC基体中则能吸收和分散冲击能，从而提高了材料的冲击强度。因此ACR对 PVC加工性能的改善，主要体现在两个方面：一方面是促进PVC粒子的熔化，包括PVC熔化温度降低，另一方面改善熔体的弹性，提高制品的抗冲击性能。同 时还能提高PVC制件的表面光洁度。
CPE是高密度聚乙烯或低密度聚乙烯氯化后的产物。不同氯含量的CPE有不同的残留结晶度和熔体粘度。作为抗冲击改性剂的CPE其含氯量一般在36～40%之间，因为其弹性最佳。CPE弹性体分散在材料中，同样能吸收和分散冲击能[1]。本研究项目采用的是含氯量为36%的CPE。
2． 2改性PVC材料力学性能见表2
表2 改性PVC材料力学性能
Tab.2 Mechanical properties of material modified PVC
| 实 验 项 目 | 测 试 结 果 |
| 弯 曲 强 度 / MPa | 92.11 |
| 拉 伸 强 度/ MPa | 51.68 |
| 断 裂 伸 长 率 / % | 37 |
| 缺口冲击强度/kJ•m-2 | 6.42 |
2．3 PVC供水管件质量测试结果见表3
表3 改性PVC供水管件质量测试结果
Tab.3 Testing result on the quality of giving water pipe unit for modified PVC
| 测试项目 | 测 试 指 标 | 测 试 结 果 |
| 密度/kg/cm3 | 1350~1460 | 1420 |
| 维卡软化点/℃ | ≥72 | 73.3 |
| 烘箱试验 | 均无任何气泡或拼缝线开裂现象 | 合格 |
| 坠落试验 | 全部试样无破裂 | 合格 |
| 液压试验 | 在3.36MPa下不渗漏 | 在3.8MPa下不渗漏 |
2．4 在上述配方体系和造粒工艺条件下，造粒过程顺利，粒料表面光洁，颗粒大小均匀。
2． 5由表3可见，用研制的改性UPVC管件专用料生产的UPVC管件符合UPVC管件的质量指标要求，产品外观光洁。改性PVC料成型加工性好，热稳定性 高，流动性好，产品的性能好，可满足中大型UPVC管件的生产要求。说明该配方体系的热稳定系统和润滑系、增韧系统统设计合理、恰当。
2．6在研制UPVC给水管件时，配方的设计非常重要。配方设计时要考虑以下几方面因素：
（1）要考虑整个改性PVC配方系统的协调性，包括稳定系统、润滑系统之间的配合协调，即稳定系统、润滑系统要适应大型PVC管件的成型工艺要求。特别是润滑系统非常重要，选用的润滑剂要内外润滑兼顾，用量适当。否则会严重影响到PVC管件的加工和质量。
（2）要根据UPVC给水管件的综合质量指标设计配方，即考虑卫生指标、物理指标和力学性能指标。
（3）要经济使用。在满足UPVC给水管件质量的前提下，选择简单、价廉、实用的配方体系。
该项目已经实现产业化，生产的UPVC管件进入市场。
3、应用
该 项目已经实现产业化，生产的各种规格的PVC-U供水管件经检测达到了CB/T10002.2-1988《给水用硬聚氯乙烯管件》的技术要求，由PVC- U管件厂家生产的PVC-U管材配套进入新疆、广东、浙江等地的市场。与PP、PE管相比，PVC-U管的力学性能好、成本低，目前原料大幅度涨价的情况 下，PVC-U供水管件的开发提高了PVC-U管材的市场竞争力，同时有利于对产品的质量控制。
4、结论
以SG-7型PVC树脂为基体，硫醇有机锡与硬脂酸钙为稳定剂、硬脂酸钙和硬脂酸为内润滑剂、聚乙烯蜡为外润滑剂，ACR和氯化聚乙烯为抗冲击改性剂制得 了PVC-U材料，其力学性能、热稳定性和加工性能良好，可用于生产大型PVC-U供水管件。管件与PVC-U管材配套使用效果好，成本低。